闡述了雙光束激光焊接技術(shù)特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，對(duì)鈦合金雙光束激光焊接工藝進(jìn)行研究，采用雙光束激光焊能增強(qiáng)激光焊接的工藝適應(yīng)性，減少焊接缺陷，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定。試驗(yàn)研究表明，鈦合金雙光束激光焊焊縫成形良好，鈦合金雙光束激光焊接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)。采用雙光束激光焊接某鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。
因激光焊的激光束光斑直徑小，可精確控制焊接熱輸入，焊接線(xiàn)能量小，因此激光焊接變形和殘余應(yīng)力均很小，同時(shí)焊接熱影響區(qū)窄、焊縫金屬晶粒粗化傾向小。
對(duì)于鈑金成形的薄壁結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，由于成形精度難以控制，焊接裝配間隙較大，且存在一定的錯(cuò)邊，同時(shí)鈦合金、鋁合金激光焊的氣孔傾向較大，給激光焊接技術(shù)在薄壁結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用帶來(lái)了困難。
為解決常規(guī)單光束激光焊存在的局限性，將單光束激光分離成兩束激光，通過(guò)改變兩束激光能量配比、光束間距、排布方式，對(duì)激光焊接溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行方便、靈活調(diào)節(jié)，改變匙孔的存在模式與熔池的流動(dòng)方式，提高單激光焊的工藝適應(yīng)性，為激光焊接工藝提供更加廣闊的選擇空間。雙光束激光焊接不僅擁有激光焊殘余應(yīng)力變形小、接頭質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，且能較好解決常規(guī)激光焊接間隙適應(yīng)性差、氣孔傾向大、合金元素?zé)龘p嚴(yán)重等問(wèn)題 。
TIG 焊、激光焊、雙光束激光焊 3種焊接工藝在焊接殘余應(yīng)力和變形、焊縫和熱影響區(qū)寬度、間隙和錯(cuò)邊適應(yīng)性、氣孔傾向、合金元素?zé)龘p和揮發(fā)等方面的比較如表 1 所示。可看出雙光束激光焊既保留了一般激光焊的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其固有缺陷。由此可見(jiàn)，雙光束激光焊技術(shù)是實(shí)現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)件優(yōu)質(zhì)化、高適應(yīng)性焊接的重要技術(shù)途徑。
雙光束激光焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1 雙光束激光焊接機(jī)理研究
雙光束激光基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)集中在單光束與雙光束對(duì)比下的溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)分布特征以及等離子體、匙孔穩(wěn)定性等方面。
賓夕法尼亞大學(xué) J.Hu 對(duì)雙光束激光焊接匙孔形貌進(jìn)行了三維數(shù)值仿真計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)隨著兩束光光斑間距增加，由一個(gè)匙孔逐漸變?yōu)閮蓚€(gè)，熔池尺寸增大 。曼徹斯特大學(xué)Blackburn 等采用高速攝像研究了鈦合金雙光束激光焊接等離子體特征，發(fā)現(xiàn)與單光束激光焊接相比，光致等離子體更加穩(wěn)定，分析得出雙光束激光焊匙孔一直處于開(kāi)放狀態(tài)，從而使得等離子體從匙孔中不斷逸出，匙孔內(nèi)等離子體的壓力值始終保持在較低水平，因此不會(huì)出現(xiàn)劇烈的等離子體從匙孔內(nèi)爆發(fā)而出的現(xiàn)象，焊接過(guò)程中飛濺較少 。
2 雙光束激光焊接應(yīng)用研究
在航天領(lǐng)域，南非科學(xué)與工業(yè)研究中心國(guó)家激光中心（CSIR: National Laser Center）開(kāi)展了用于導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的馬氏體時(shí)效鋼激光焊接技術(shù)研究，分別采用單激光焊、雙光束激光焊以及脈沖激光焊 3 種工藝，結(jié)果表明雙光束激光焊的焊縫成形最好，拉伸試驗(yàn)斷裂在母材，且具有良好的工藝重復(fù)性 [4]。
雙光束激光用于填絲釬焊、異種材料的焊接，能增強(qiáng)激光釬焊、填絲焊工藝的焊絲、釬料的熔化能力及過(guò)程穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)異種材料優(yōu)質(zhì)焊接。采用雙光束焊接不等厚板，在汽車(chē)拼焊板加工領(lǐng)域已有一定的工業(yè)化應(yīng)用 。
鈦合金雙焦點(diǎn)激光焊接技術(shù)研究
1 鈦合金雙光束激光焊接焊縫成形
1 鈦合金雙光束激光焊接焊縫成形
1.5mm 厚鈦合金雙光束激光焊和 TIG 焊焊縫表面成形對(duì)比如圖 1所示，可看出傳統(tǒng) TIG 焊工藝無(wú)論是焊縫正面還是背面的寬度均遠(yuǎn)大于雙光束激光焊。因此，雙光束激光焊接焊縫及熱影響區(qū)寬度均遠(yuǎn)小于TIG 焊。
圖1 雙光束激光焊與TIG焊縫表面成形對(duì)比
2 鈦合金雙光束激光焊接變形
為定性描述雙光束激光焊接對(duì)焊接變形的控制，對(duì)比測(cè)量平板 TIG焊和雙光束激光焊在縱向撓曲變形和橫向角變形的大小，如圖 2 所示。TIG 焊縱向最大撓曲變形高達(dá)14.3mm，雙光束激光焊只有 2.7mm ；TIG 焊橫向最大角變形 8.6°，雙光束激光焊只有 2.4°。
圖2 平板TIG焊和激光焊焊接變形對(duì)比
3 鈦合金雙光束激光焊接力學(xué)性能
鈦合金焊接接頭的室溫平均抗拉強(qiáng)度為 1040.2MPa，與母材的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。焊接接頭的斷裂位置均在母材區(qū)域，說(shuō)明焊縫的抗拉強(qiáng)度稍高于母材，與文獻(xiàn) [5] 采用單光束激光焊接鈦合金的力學(xué)性能大致相當(dāng)。
4 鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件雙光束激光焊接
針對(duì)某鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件縱縫雙光束焊接，采用琴鍵式工裝夾緊，焊縫正面、背面同時(shí)有氬氣保護(hù)，為避免焊接過(guò)程中熱變形導(dǎo)致間隙及錯(cuò)邊變形，在縱縫焊接前先進(jìn)行兩端定位焊，最大間隙、錯(cuò)邊量可達(dá)0.2mm。 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行X射線(xiàn)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的QJ1666A-2011 Ⅱ級(jí)焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)焊后直線(xiàn)度、圓度進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，無(wú)需焊后矯形。
圖 3 為鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件雙光束激光焊接實(shí)物。
圖3 鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件雙光束激光焊接實(shí)物
結(jié)論
?。?）雙光束激光焊隨著兩光斑間距的增加，由單個(gè)匙孔變?yōu)閮蓚€(gè)匙孔；雙光束激光焊光致等離子體較單激光焊更加穩(wěn)定。
（2）雙光束激光焊接在國(guó)外航天及其他工業(yè)領(lǐng)域已有一定程度的應(yīng)用。
（3）雙光束激光焊接焊縫以及熱影響區(qū)寬度均遠(yuǎn)小于 TIG 焊，縱向撓曲變形和橫向角變形均小于 TIG焊。
（4）鈦合金雙光束激光焊接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)。
?。?）采用雙光束激光焊接鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)件，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，且無(wú)需焊后矯形。
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